Технология использования сжатых газов (стр. 26 )

Указанные установки высокопроизводительные, но сложные по устройству, стационарные и энергоемкие. Применяются в производствах с большим расходом азота, например получение аммиака.

Адсорбционная технология основана на адсорбции – поглощении веществ в газообразном или жидком состоянии поверхностью твёрдых или жидких тел (адсорбентов) чаще всего твёрдых.

Адсорбер – аппарат для адсорбции, в котором газовая смесь проходит через слой пористого адсорбента и из неё извлекаются необходимые вещества. Адсорберы бывают периодического и непрерывного действия.

Такие аппараты имеют небольшую производительность и для получения азота в промышленных масштабах не применяются.

Мембранная технология (применение молекулярных сит). Принцип производства азота по этой технологии основан на отделении молекул азота из предварительно очищенного сжатого воздуха, прокачиваемого через так называемый мембранный блок (или генератор).

Мембраны обладают свойством селективной проницаемости – прогрессивный эффективный метод с низким потреблением энергии.

Суть мембранной технологии состоит в разделении газовой смеси за счёт разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях поливолоконной мембраны. Каждый компонент имеет свою характерную скорость проникновения, которая зависит от его способности растворяться в мембране и проникать через неё. «Быстрые» газы (H2, CO2, O2, He и др.) быстро проникают сквозь полимерную мембрану. «Медленные» газы (CO, N2, CH4 и др.) слабо проникают через мембрану и отводятся во вне. Смесь газов, прошедшая через мембрану, называется пермеатом.

Схема азотного генератора приведена на рис 9.1. Мембранный разделительный блок представляет собой цилиндрический картридж, внутри которого расположен пучок трубчатых поливолоконных мембран.

Рисунок 9.1 – Мембранный картридж и мембрана

C помощью таких устройств можно получить азот чистотой от 90 до 99,9% в достаточно больших количествах: от 1500 до 5000 м3/час.

Появление мембранных технологий обусловило быстрый прогресс в развитии воздухоразделительной техники и технологии. Главное преимущество мембранной технологии: низкая энергозатратность, низкие параметры, компактность и мобильность установок способствует всё более широкому её применению.

Области использования различных установок по производству азота приведены на рис.9.2.

Рисунок 9.2 – Области применения различных азотных установок

9.4 Технологические мембранные установки для получения азота

С использованием мембранного метода получения азота в последние годы рядом ведущих фирм созданы достаточно простые промышленные установки. Принципиальная схема установки приведена на рис.9.3.

Всасываемый из атмосферы воздух сжимается в поршневой или винтовой компрессорной станции до некоторого оптимального давления газоразделения.

Компр. Блок подготовки Мембранный

станция воздуха блок

Рисунок 9.3 – Схема получения азота по такой технологии:

Ф – фильтр; К – компрессор; ФС – фильтр-сепаратор;

ОС – осушитель; В/О – влагоотделитель

При выборе необходимого давления ищут компромисс: при малых давлениях проще, выше надежность, но очень большие габариты аппаратов, особенно мембранного блока. А стоимость мембранных модулей очень высока. При высоких давлениях могут быть проблемы с прочностью и надежностью.

Сжатый в компрессоре воздух поступает в блок подготовки воздуха, где он охлаждается, отчищается от капельной жидкости (вода, масло), механических примесей и осушивается. Подготовленный таким образом воздух поступает в мембранный блок, где он разделяется на потребительский азот и пермеат (смесь кислорода, водяного пара, аргона водорода и т. д.), который выбрасывается в атмосферу. Как видно, установка экологически чистая, не наносит ущерб окружающей среде. В случаях применения стационарных мембранных установок на производственных предприятиях пермеат как обогащенная кислородом воздушная смесь может быть полезно использован, например, для дутья в топочных устройствах различного рода.

По такой технологии возможно получение азота с концентрацией 99,9%, но обычно для технологического применения достаточна чистота 90-98%.

Средняя стоимость одного литра азота на 50% дешевле полученного традиционным низкотемпературным (криогенным) методом.

Азот производится непосредственно на месте его потребления в необходимом количестве. Расходы на хранение и транспортировку отсутствуют вовсе.

Такая технология обладает бесспорными преимуществами, среди которых: компактность, мобильность станции, разделение воздуха происходит в статическом аппарате, а не в машине-детандере, возможность глубокого регулирования и др. Недостатком является высокая стоимость мембранных модулей и требование высокой степени очистки воздуха, подаваемого на модули. Последнее требование является жестким для компрессоров. Поршневые компрессоры со смазкой и маслонаполненные винтовые компрессоры в обычном исполнении неприемлемы.

Условию отсутствия масла удовлетворяют так называемые «сухие» (бессмазочные) поршневые и винтовые компрессоры. Такие компрессоры существуют. Конструктивно они намного сложнее обычных и гораздо дороже.

В поршневых «сухих» компрессорах усложняется конструкция сальников, требуется применение специальных материалов и т. д.

Винтовые «сухие» компрессоры имеют существенно более низкую степень повышения давления в одном корпусе, чем маслозаполненные, т. к. нет впрыска охлаждающего масла
(π = 2-3 против 8-10). Они более громоздки. Требование гарантийного зазора между винтами снижает объемный КПД компрессора.

В некоторых случаях применяются винтовые маслозаполненные компрессоры на первой ступени сжатия, а далее, после очистки и сепарации воздуха, – «сухой» поршневой дожимающий компрессор.

На таких установках, кроме основной технологической операции – получение азота из воздуха, выполняются одновременно следующие операции:

- обогащение воздуха кислородом (пермеат);

- осушка воздуха.

9.5 Азотно-мембранные компрессорные станции

Комплексные установки такого рода обычно изготавливают передвижными на автомобилях или прицепах, что позволяет быстро доставлять ее к месту использования.

Примером может служить азотная мембранная винтовая передвижная станция АМВП-15/0,7оС производительностью по азоту 15 мм3/мин и давлением 0,7 МПа, концентрация азота до 97%. Разработана во ВНИИкомпрессормаше (г. Сумы) в 2003 г.

Всё оборудование смонтировано в автомобильном прицепе длиной 12 м, который состоит из трёх основных блоков (рис.9.4).

Рисунок 9.4 - Передвижной станция АМВП

Управление станцией осуществляется с помощью микропроцессорной системы.

Привод – электродвигатель, компрессор поршневой
2 ступенчатый, сухой. В последующем были применены винтовые блоки сухого сжатия. С учётом требований мобильности в станции применена воздушная система охлаждения сжатого воздуха.

Станции успешно применялись при тушении пожаров на шахтах Донбасса. Для локализации и тушения подземного пожара станция подавала азот в зону горения для создания атмосферы обеднённой кислородом.

Среди других применений азотных мембранных станций:

– для обустройства нефтяных и газовых скважин, ремонта и испытаний трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности. Эта установка выполняется с дизельным приводом, не связана с ЛЭП, может работать в любых условиях севера, мощность станции – 250 кВт, масса – 9,3 т, длина – 6 м;

– для обеспечения длительного хранения зерна, овощей, путем создания инертной среды без применения химии, что замедляет их дыхание. Срок хранения возрастает в 2-3 раза, без потери кондиций даже при +20 - 25 ºС;

– в атомной энергетике – для продувки охлаждающих рубашек турбогенераторов АЭС.

9.6 Применения азота

Основная часть добываемого свободного азота используется для промышленного производства аммиака, который затем перерабатывается в азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества. Получать технически чистый азот в разделительных установках в больших количествах обходится очень дорого. Поэтому в таких производствах используют не технически чистый азот, полученный, например, ректификацией воздуха, а непосредственно атмосферный воздух. Такая технология будет рассмотрена в следующей теме «Технологии производства и использования аммиака».

Свободный азот применяют во многих отраслях промышленности:

– как инертная среда при испытании аппаратов и машин, например компрессоров (работы ВНИИкомпрессормаша по созданию ПК и ЦК СВД) (рис. 9.5);

– для продувки аппаратов труб и др. оборудования, работающего на взрывоопасных газах (нефтяная и газовая промышленность) при ремонтах, испытаниях перед заполнением газом;

– как «буферная» запирающая среда при герметизации машин а аппаратов, работающих на опасных газах, смесь которых с небольшим количеством азота допустима по по условиям технологического процесса;

– применяется в качестве импульсного газа в системе КИП и А установок, работающих на опасных газах (для элементов пневмоавтоматики, когда нельзя применять приборы электроавтоматики из-за возможной искры);

– повышения продуктивности газовых и нефтяных скважин методом газоимпульсного воздействия с помощью азотного генератора – сосуда, наполненного азотом при очень высоком давлении, который создаёт локальный взрыв вокруг заборной части скважины, образуя множество трещин и каналов в твёрдой толще пласта.

Широко используется азот и в технологии машиностроения.

Азотирование (азотация) – насыщение поверхности металлических деталей с целью повышения твердости, износостойкости, предела усталости, коррозионной стойкости.

Азотирование сталей происходит в герметичных печах при 500 - 650ºС в среде аммиака. Процесс длительный. Для получения слоя толщиной 0,2 - 0,4 мм требуется 20 - 50 часов. Повышение температуры ускоряет процесс, но твердость снижается.